Die Atmosphäre der Erde

Helmut Kraus
Die Atmosphäre
der Erde
Eine Einführung in die Meteorologie
Mit 196 Abbildungen, 184 Übungsaufgaben
und einer farbigen Klimakarte der Erde
vieweg
Inhaltsverzeichnis
VII
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
XI
I. Einige Grundlagen
1.1
1.2
1.3
1.4
Erster Blick in die Atmosphäre
Die Skalendenkweise
Die Teilgebiete der Meteorologie
Größen, Zahlenwerte, Einheiten
1
6
12
14
II. Die meteorologischen Elemente
17
11.1 Der Luftdruck
II.l.l Zusammensetzung der Luft
II. 1.2 Die allgemeine Gasgleichung
II. 1.3 Das Daltonsche Gesetz
II. 1.4 Die barometrische Höhenformel
II. 1.5 Die Druckmessung
II. 1.6 Die Luftdruckverteilung an der Erdoberfläche
17
17
20
21
22
25
28
11.2 Die
11.2.1
11.2.2
11.2.3
11.2.4
11.2.5
Windgeschwindigkeit
Definition
Messung und Registrierung des Windes
Änderung von Größen mit den Feldkoordinaten
Der Transport einer spezifischen Eigenschaft
Die Begriffe Haushalt und Advektion
32
32
34
39
41
45
11.3 Die
11.3.1
11.3.2
11.3.3
11.3.4
11.3.5
11.3.6
11.3.7
Temperatur
Erste thermodynamische Begriffe
Die Hauptsätze der Thermodynamik
Thermodynamische Potentiale und spezifische Wärme
Die Definition der Temperatur und ihrer Maßskalen
Die Temperaturänderung eines Luftteilchens bei Vertikalbewegungen
Haushalt und Flußdichten „fühlbarer Wärme"
Die Temperaturmessung
48
48
50
57
60
62
65
69
11.4 Die Luftfeuchtigkeit
II.4.1 Die verschiedenen Feuchtemaße
II.4.1.1 Der Dampfdruck e
II.4. .2 Die absolute Feuchte a
II.4. .3 Die spezifische Feuchte q
II.4. .4 Das Mischungsverhältnis m
II.4. .5 Die relative Feuchte f
II.4. .6 Der Taupunkt T
II.4. .7 Die virtuelle Temperatur Tv
77
77
77
87
87
89
89
90
90
VIII
11.4.2
11.4.3
11.4.4
Inhaltsverzeichnis
Der Wasserdampftransport
Temperatur- und Feuchtefelder nahe am Erdboden
11.4.3.1 Die Energiebilanz an einer Oberfläche
11.4.3.2 Beispiele
Die Feuchtemessung
11.4.4.1 Das Psychrometer
11.4.4.2 Andere Feuchte-Meßverfahren
'.
. . . .
91
94
94
96
101
101
105
11.5 Die Strahlung
11.5.1 Die Natur der meteorologisch wirksamen Strahlung
11.5.2 Die Strahlungsgesetze
11.5.2.1 Nomenklatur von Strahlungsgrößen
11.5.2.2 Das Plancksche Strahlungsgesetz
11.5.2.3 Das Wiensche Verschiebungsgesetz
11.5.2.4 Das Gesetz von Stefan-Boltzmann
11.5.2.5 Das Kirchhoffsche Gesetz
11.5.3 Solare und terrestrische Strahlung
11.5.4 Phänomenologie der Strahlungsflußdichten
11.5.5 Optische Erscheinungen in der Atmosphäre
107
107
110
110
111
114
116
118
123
132
147
11.6 Der Aufbau der Atmosphäre
11.6.1 Der vertikale Aufbau
11.6.1.1 Einteilung nach dem Temperaturverlauf
11.6.1.2 Standard-Atmosphären
11.6.1.3 Zusatzbemerkungen zur vertikalen Struktur der Troposphäre
11.6.2 Der horizontale Aufbau
154
154
154
162
163
166
III. Thermodynamik und Wolken
175
ULI Änderung meteorologischer Parameter bei adiabatischen Prozessen .
III. 1.1 Änderung der Feuchte beim trocken-adiabatischen Prozeß . . . .
III. 1.2 Der sättigungs-adiabatische Temperaturgradient
175
175
178
111.2 Temperaturschichtung und Stabilität
111.2.1 Ursachen für Vertikalbewegungen
111.2.2 Stabilitätskriterien
111.2.3 Bemerkungen zur Genauigkeit
184
184
189
192
111.3 Beispiele zur Thermodynamik
194
111.4 Thermodynamische Diagrammpapiere
111.4.1 Das Stüve-Diagramm
111.4.2 Andere Diagrammpapiere
203
203
211
Inhaltsverzeichnis
IX
III.5 Phänomenologie
111.5.1 Wolken
111.5.2 Nebel
111.5.3 Niederschlag
m.5.3.1 Allgemeines
III.5.3.2 Hydrometeore
214
214
218
227
227
231
IV. Dynamik der Atmosphäre
235
IV.l Kinematik
IV. 1.1 Die Divergenz der Windgeschwindigkeit
IV. 1.2 Rotation und Zirkulation
IV. 1.3 Stromlinien und Trajektorien
237
237
242
251
IV.2 Die
IV.2.1
IV.2.2
IV.2.3
IV.2.4
259
259
260
270
272
Bewegungsgleichung
Die Newtonschen Axiome
Die wirksamen Kräfte
Die Navier-Stokes-Gleichung
Skalenanalyse
IV.3 Zweidimensionale Windsysteme
IV.3.1 Eine einfache zweidimensionale Bewegungsgleichung
IV.3.2 Der geostrophische Wind
IV.3.3 Der Gradientwind
IV.3.4 Der zyklostrophische Wind
IV.3.5 Der Trägheitskreis
IV.3.6 Der Einfluß der Reibung
276
276
279
280
284
286
291
V. Synoptische Meteorologie
299
V.l Allgemeines zur Synoptik
.
V.l.l Definition, wissenschaftliche und technische Grundlagen, Geschichte
V.1.2 Darstellung der synoptischen Felder
V.l.3 Thermische Verknüpfung von Boden-und Höhenwetterkarten
. .
V.l.4 Barotrope und barokline Felder
299
299
304
312
319
V.2 Die synoptischen Systeme mittlerer Breiten
V.2.1 Phänomene in verschiedenen Skalen
V.2.2 Fronten
V.2.2.1 Begriffe, Skalen, Beobachtungen
V.2.2.2 Die Polarfront-Theorie
V.2.2.3 Übergang zur Feld-Theorie
V.2.2.4 Die Feld-Theorie
V.2.2.5 Fronten in unterschiedlichen Skalen
321
321
333
333
337
343
348
359
X
Inhaltsverzeichnis
VI. Klimatologie
364
VI.l Die Allgemeine Zirkulation der Atmosphäre (AZA)
VI.1.1 Definition der AZA
VI. 1.2 Grundlagen zum Verständnis der AZA
VI. 1.2.1 Die differentielle Erwärmung des Systems Erde-Atmosphäre
VI. 1.2.2 Die Erhaltung des Drehimpulses des Systems Erde-Atmosph.
VI. 1.3 Die Flußdichten
VI. 1.4 Konzeptionelles Bild der AZA
VI. 1.5 Dje Geschichte des Verständnisses der AZA
364
364
368
368
372
379
384
387
VI.2 Das
VI.2.1
VI.2.2
VI.2.3
VI.2.4
VI.2.5
391
397
405
417
417
425
bodennahe atmosphärische Klima
Klimatabellen
Klimadiagramme
Klima-Atlanten
Klima-Karten
Bodennahe Klima-Änderungen
Anhang A: Energie und Leistung im Vergleich
Anhang B: Fragen und Übungen
Literaturverzeichnis
Sachwortverzeichnis
431
434
452
460